BE2008 – Encontro Nacional Betão Estrutural 2008
Guimarães – 5, 6, 7 de Novembro de 2008
Influência do conteúdo em pasta nas propriedades de
betões autocompactáveis
Lino Maia1
Sandra Nunes2
Joaquim Figueiras3
RESUMO
O conteúdo em pasta de um betão autocompactável é normalmente dimensionado para assegurar a
autocompactabilidade e para minimizar a dosagem de cimento de forma a alcançar a resistência à
compressão especificada. Neste trabalho, foram realizadas 3 composições de betão autocompactável
com diferentes conteúdos em pasta e mantendo uma razão a/c = 0.40. Mantiveram-se os materiais
constituintes, mas as proporções na composição foram ajustadas para produzir composições com alto,
médio e baixo conteúdos em pasta, exibindo comportamentos no estado fresco semelhantes. Para
avaliar a autocompactabilidade no estado fresco, foram realizados os ensaios de espalhamento, caixa L
e funil V. No estado endurecido realizaram-se os ensaios de compressão simples, módulo de
elasticidade e compressão diametral a diversas idades. Paralelamente, avaliaram-se deformações em
prismas devido à retracção e à fluência através de extensómetros embebidos no betão. Todos os
provetes foram descofrados às 23 horas, sendo os prismas colocados numa câmara a 20 ºC com uma
humidade relativa de 50 % e os cilindros numa câmara a 20 ºC com uma humidade relativa de 100 %.
O carregamento no ensaio de fluência foi aplicado às 24 horas, 3 e 7 dias e foi mantido constante até
aos 28 dias de idade. As composições estudadas exibiram comportamentos diferentes relativamente às
propriedades mecânicas, retracção e fluência. O conteúdo de pasta deve ser dimensionada atendendo à
idade de descofragem, evolução da retracção e da idade e grandeza de carregamento.
PALAVRAS-CHAVE
Betão autocompactável, fluência, retracção, conteúdo em pasta
1
2
3
LABEST/FEUP, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 4200-465 Porto, Portugal. [email protected]
LABEST/FEUP, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 4200-465 Porto, Portugal. [email protected]
LABEST/FEUP, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 4200-465 Porto, Portugal. [email protected]
Influência do conteúdo em pasta nas propriedades de betões autocompactáveis
1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho reporta a investigação realizada sobre a influência do conteúdo em pasta em
betões autocompactáveis de elevado desempenho e está inserido num estudo mais alargado sobre as
propriedades de betão de elevado desempenho, obtido a partir de materiais disponíveis em Portugal
[1]. O trabalho centrou-se essencialmente sobre o estudo da retracção por secagem e sobre a fluência
para compreender melhor de que forma as proporções usadas no dimensionamento de uma composição
de betão autocompactável (BAC) podem influenciar o desempenho estrutural, nomeadamente a perda
de pré-esforço.
O betão é provavelmente o material de construção mais usado em todo o mundo. Contudo, nos dias de
hoje os materiais têm de responder a questões como economia, qualidade, ambiente, etc. De acordo
com Aïtcin [2] os construtores e donos de obra têm de compreender que o que é mais importante não é
o custo de 1 m3 de betão mas antes o custo de 1 MPa ou o custo de 1 ano de ciclo de vida da estrutura.
O betão autocompactável (BAC) é um betão que foi inicialmente desenvolvido no Japão [3] para
melhorar a durabilidade das estruturas de betão [4] e hoje em dia é já extensamente utilizado em
diversos países. Segundo as recomendações europeias para a utilização do BAC (EFNARC) [5], trata-se de um betão que é capaz de fluir e consolidar através apenas do peso próprio, sem a adição de
energia de compactação.
Vários investigadores propuseram diferentes métodos para dimensionar uma composição de betão
autocompactável [3, 6-8]. Normalmente para se obter a autocompactabilidade a dosagem de agregados
grossos é limitado e a relação água/finos é reduzida. Por se usarem maiores dosagens e diversidade de
materiais finos a retracção e a fluência podem mudar significativamente neste tipo de betões.
As composições de betão autocompactável são normalmente dimensionadas para assegurar a
autocompactabilidade, para minimizar a dosagem de cimento e para alcançar uma determinada
resistência à compressão. Visto que o desempenho do betão endurecido pode ser altamente
influenciado pela retracção e pela fluência, realizaram-se testes para estudar a evolução da retracção e
da fluência, com carregamentos a diferentes idades. Refira-se que a bibliografia não é muito clara no
que diz respeito ao comportamento por fluência de betões de elevado desempenho ou do BAC e que
para razões a/c constantes, devido à presença do fíler nestes betões, um aumento do conteúdo em pasta
não implica necessáriamente um aumento da dosagem de cimento.
As propriedades mecânicas das composições estudadas foram a resistência à compressão, o módulo de
elasticidade e a resistência à tracção por compressão diametral. Usaram-se composições com uma
razão a/c = 0.40 (neste documento a razão a/c corresponde à razão entre a massa de água e a massa de
cimento; segundo a Especificação E 464 a/c deveria corresponder à razão entre a massa de água e a
massa de ligante) como compromisso entre a necessidade de composições estáveis no estado fresco e a
obtenção de resistências iniciais elevadas que permitissem a aplicação de cargas de fluência elevadas
às 24 horas.
2. TEORIA
2.1 Concepção das composições de BAC com o auxílio de planos factoriais
Nunes et al. [7] (LABEST / FEUP) utilizaram um plano factorial para modelar as propriedades
relevantes do BAC e quantificar a robustez das composições. Assim, as composições apresentadas
neste trabalho foram dimensionadas recorrendo ao conhecimento existente no LABEST / FEUP.
Mantendo a razão a/c constante, e recorrendo aos modelos obtidos a partir do plano factorial
modificaram-se alguns parâmetros de modo a alcançar composições com conteúdos em pasta elevado,
médio e baixo, e mantendo as propriedades no estado fresco. Através deste procedimento, o conteúdo
2
Encontro Nacional Betão Estrutural 2008
L. Maia, S. Nunes, J. Figueiras
em pasta variou, essencialmente, devido a uma variação da dosagem de fíler. Para a caracterização da
autocompactabilidade foram usados os seguintes ensaios propostos nas recomendações EFNARC [5]:
Ensaio de espalhamento, funil V e caixa L, sendo que para as composições utilizadas se esperava que
estas pertencessem às seguintes classes: SF2 no espalhamento, VF2 no funil V e PA2 na caixa L.
2.2 Fluência e retracção
A fluência é definida como sendo uma deformação induzida por uma tensão (normalmente de
compressão no caso dos betões) constante enquanto a retracção por secagem (posteriormente referida
neste trabalho como retracção) é a deformação que ocorre devido à saída de água para o meio
ambiente, com o tempo, quando sobre a peça não actuam tensões provocadas por acções exteriores. Os
dois fenómenos não são independentes e como tal o princípio da sobreposição dos efeitos não deve ser
aplicado. No entanto, para muitas aplicações práticas é aceitável considerar que os dois fenómenos são
independentes, ou seja, aditivos [9]. Como neste trabalho como a deformação total era o mais
importante tratou-se a retracção e a fluência como sendo fenómenos independentes.
Para um material sujeito à fluência, quer a curva típica da deformação em função do tempo quer as
curvas referentes aos três estágios de deformação são vulgarmente conhecidos e podem ser facilmente
encontrados na bibliografia [9-11]. Vários autores avaliaram a influência do conteúdo em pasta na
retracção e na fluência, contudo, as composições não eram autocompactáveis e possuíam diferenças
significativas no estado fresco ou no estado endurecido. Normalmente, a água, a razão a/c ou as
propriedades no estado fresco mudavam significativamente de composição para composição.
Normalmente este tipo de estudo não era realizado em BAC e a variação do conteúdo em pasta era
obtida através da variação da dosagem de cimento. Como neste estudo foram usadas composições de
BAC as variações no conteúdo em pasta foram principalmente devidas à alteração da dosagem de fíler
sendo os restantes parâmetros ajustados de forma a manter as composições semelhantes no estado
fresco.
Também no que respeita à fluência a maioria dos estudos comparativos entre composições não foi
realizado sob tensão constante mas antes com razão tensão e resistência à compressão constante. Como
na maior parte dos casos práticos o valor da força está predefinido, independentemente do valor da
resistência à compressão, neste trabalho optou-se por manter a tensão de compressão. Usando
composições de betão normal com razão a/c = 0.65, Neville [10] encontrou maior fluência em
composições com maior conteúdo em pasta de cimento, no entanto, é importante referir que a carga foi
aplicada aos 14 dias e que a razão (tensão aplicada) / (resistência à compressão) foi mantida constante,
correspondendo a 60% da tensão de rotura.
3. EXPERIMENTAL
3.1 Materiais
Executaram-se três composições diferentes de betão autocompactável. Usaram-se os mesmos materiais
mas as proporções foram ajustadas para se obter BACs com alto, médio e baixo conteúdo em pasta.
Usou-se uma razão a/c = 0.40 para todas as composições. Todos os agregados estavam secos aquando
da mistura, sendo a massa volúmica da areia fina, da areia grossa e da brita 2.63, 2.31 e 2.62 g/cm3, e
o coeficiente de absorção 0.83 %, 0.61 % e 3.06 %, respectivamente, avaliados de acordo com a EN
1097-6:2000. Usou-se um cimento CEM I 42.5R constituído por 90.2 % de clinquer e com massa
volúmica de 3.13 g/cm3 enquanto o fíler usado era de origem calcária com massa volúmica de 2.70
g/cm3. Usou-se ainda um superplastificante de 3ª geração à base de policarboxilatos de massa
volúmica de 1.05 g/cm3 sendo o teor em sólidos de 18.5%. No Quadro 1 e no Quadro 2 apresenta-se a
distribuição granulométrica dos agregados e uma breve descrição dos materiais.
Quadro 1. Distribuição granulométrica dos
Abertura
Areia
Areia
Brita
agregados
fina
grossa
3
Influência do conteúdo em pasta nas propriedades de betões autocompactáveis
[mm]
[%]
32
16
8
4
2
1
0.500
0.250
0.125
0.063
100
100
100
100
98
94
81
30
1
0
[%]
100
100
100
99
84
46
4
0
0
0
[%]
Material
Características
100
99
48
8
4
3
2
2
1
1
Cimento
Adição mineral
Superplastificante
Agregado fino 1
Agregado fino 2
Agregado grosso
CEM I 42.5 R (Portland)
Fíler calcário
Sika Viscocrete 3006
Areia fina natural
Areia grossa natural
Brita granítica
Quadro 2. Características dos materiais
3.2 Proporções das composições BAC
No Quadro 3 são apresentadas as quantidades de constituintes do betão usadas em cada uma das três
composições estudadas. A água adicionada durante a amassadura foi corrigida de modo a atender à
água presente no superplastificante assim como à água necessária para saturar os agregados. Nas
amassaduras estudadas o volume de pasta foi 42.9 %, 39.8 % e 36.7 % para as composições alto,
medio e baixo conteúdo em pasta, respectivamente.
Quadro 3. Quantidades de constituintes do betão, por metro cúbico, para as composições
com alto, médio e baixo conteúdo em pasta
Material
Alto
[Kg]
Médio
[Kg]
Baixo
[Kg]
Cimento
Fíler
Água efectiva
Superplastificante
Areia fina
Areia grossa
Brita
438.0
303.3
175.2
6.84
341.8
337.0
734.0
429.1
239.2
171.6
6.68
391.8
300.7
796.6
417.0
178.1
166.8
6.60
413.4
313.1
842.8
3.3 Mistura
Todas as misturas foram preparadas em laboratório em amassaduras de 160 litros pelo seguinte
procedimento: 1) misturar os agregados com 25 % da água total durante 2.5 minutos; 2) parar a
mistura durante 2.5 minutos; 3) adicionar cimento, fíler, restante água e superplastificante e misturar
durante 5 minutos; 4) parar a mistura durante 1 minuto 5) misturar durante 3 minutos; 6) testar a
autocompactabilidade e betonar.
3.4 Ensaios
Os ensaios para caracterização da autocompactabilidade foram realizados seguindo o procedimento
indicado nas recomendações EFNARC [5]. Para cada composição foram betonados os seguintes
provetes: 7 prismas (10 × 10 × 50 cm3) e 18 cilindros (d = 15 cm, h = 30 cm). Todos os provetes foram
desmoldados às 23 horas. Depois de desmoldados, todos os provetes foram armazenados a 20 ºC, no
entanto, os prismas destinados aos ensaios de retracção e fluência foram armazenados numa câmara
com HR = 50 % enquanto os cilindros foram armazenados numa câmara com HR = 100 %.
Um dos prismas foi usado para medir a retracção enquanto os restantes 6 prismas para medir a fluência
(2 para cada carregamento: 24 horas, 3 dias e 7 dias). Em 12 cilindros (3 por dia) avaliaram-
4
Encontro Nacional Betão Estrutural 2008
L. Maia, S. Nunes, J. Figueiras
-se o módulo de elasticidade e a resistência à compressão às 24 horas, 3 dias, 7 dias e 28 dias. A
resistência à tracção foi avaliada pelo ensaio de compressão diametral aos 3 dias e aos 28 dias nos
restantes 6 cilindros (3 em cada dia). No interior de cada prisma foi colocado no centro um
extensómetro de embeber para medir a deformação do betão. Os valores foram registados uma vez por
minuto durante 28 dias. Também a temperatura no interior de cada prisma foi monitorizada durante
pelo menos 24 horas.
Os ensaios de fluência foram realizados simultaneamente em dois prismas em sistemas hidráulicos
estabilizados através da aplicação de uma tensão de compressão uniaxial. A carga aplicada foi mantida
em 250 kN, impondo uma tensão de 25 MPa em todos os provetes.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta secção apresentam-se os resultados otidos para as composições supra referidas. Em primeiro
lugar, mostram-se os resultados referentes ao controlo da autocompactabilidade. Seguidamente
apresentam-se as propriedades mecânicas e a temperatura e, por último, avalia-se a retracção e a
fluência.
4.1 Autocompactabilidade
No Quadro 4 são apresentados os resultados do controlo de autocompactabilidade dos BACs
estudados.
Quadro 4. Resultados dos ensaios de autocompactabilidade para as composições com alto, médio e
baixo conteúdo em pasta
Teste
Alto
Médio
Baixo
Espalhamento [mm]
T50 [s]
Funil V [s]
Caixa L
715
2.8
10.5
0.85
770
2.1
11.7
0.87
740
1.9
9.7
0.88
De acordo com recomendações EFNARC [5] verifica-se a conformidade dos critérios propostos para
as composições, ou seja, todas a composições são das classes: SF2, VF2 e PA2. Refira-se que, pelo
facto de se usarem BACs neste estudo é muito importante que todas as composições tenham um
comportamento semelhante no estado fresco.
4.2 Propriedades mecânicas e temperatura
Apresentam-se seguidamente nas Figs 1, 2 e 3 os resultados relativos à resistência à compressão,
módulo de elasticidade e resistência à tracção por compressão diametral, respectivamente. Visto que os
ensaios foram realizados sobre 3 provetes, apresentam-se ainda os resultados relativos ao desvio
padrão de cada teste. Como se pode visualizar praticamente todas as propriedades mecânicas
aumentaram ao longo do tempo. Quer a resistência à compressão quer o módulo de elasticidade
apresentam um coeficiente de variação baixo (apenas por uma vez a variação foi superior a 5 %).
Como era de esperar as composições com maior conteúdo em pasta apresentam uma resistência mais
elevada [8], contudo refira-se que Rozière et al. [13] encontraram menores resistências em BACs com
maior conteúdo em pasta.
5
Influência do conteúdo em pasta nas propriedades de betões autocompactáveis
Figura 1. Desenvolvimento da resistência à compressão.
Figura 2. Desenvolvimento do módulo de elasticidade.
Figura 3. Desenvolvimento da resistência à tracção por compressão diametral.
Verifica-se ainda que das 24 horas aos 28 dias o aumento observado para a resistência à compressão é
mais significativo do que o aumento verificado para o módulo de elasticidade. Enquanto a resistência à
compressão às 24 horas era próxima de 60 % da resistência à compressão aos 28 dias já o módulo de
elasticidade às 24 horas apresenta um valor superior a 80 % do valor observado aos 28 dias.
Os resultados da Fig. 1 mostram que aos 3, 7 e 28 dias a resistência à compressão é maior para as
composições com maior conteúdo em pasta. Já às 24 horas a resistência à compressão da composição
com um conteúdo em pasta elevado foi menor do que a que tem um conteúdo em pasta médio. De
referir que todos os cuidados foram tomados para os ensaios às 24 horas, no entanto é importante
salientar que nestes ensaios qualquer atraso ou adianto na sua execução é muito mais significativo do
que nas restantes idades.
No Quando 5 são apresentadas os valores máximos das temperaturas medidas para as diferentes
composições pela sua análise verifica-se que os resultados são semelhantes para as três composições,
6
Encontro Nacional Betão Estrutural 2008
L. Maia, S. Nunes, J. Figueiras
contudo parece existir uma certa tendência no sentido de que composições com mais pasta atinjam
maiores temperaturas, provavelmente devido à maior dosagem de cimento.
Quadro 5. Temperaturas máximas no centro de prismas 10x10x50 cm3
Temperatura
Alto
Médio
Baixo
26.6 ºC±0.2 ºC
26.5 ºC±0.3 C
26.0 ºC±0.2 ºC
4.3 Retracção
As medições da retracção foram realizados em prismas a partir do momento da betonagem contudo
desprezaram-se os resultados obtidos até às 24 horas. Na Fig. 4 apresentam-se as deformações por
retracção para as composições com alto, medio e baixo conteúdo em de pasta assim como a curva de
referência sugerida pelo Eurocódigo 2.
Figura 4. Deformação devida à retracção.
Analisando a Fig. 4 verifica-se que as composições com maior conteúdo em pasta tiveram menor
retracção do que as que tinham menor conteúdo em pasta. Este facto pode provavelmente ser
explicado porque o aumento de pasta nas composições usadas foi essencialmente realizado através do
aumento da dosagem de fíler. Note-se que a presença de fíler acelera as reacções de hidratação do
cimento, ou seja, faz diminuir o período dormente obtendo-se baixa permeabilidade a idades inferiores
[12]. No entanto, todas as composições mostraram ter menor retracção do que a curva de referência
sugerida pelo Eurocódigo 2.
4.4 Fluência
A fluência foi medida em primas sujeitos uma tensão de compressão de 25 MPa. Na Fig. 5 apresenta-se a deformação total (deformação por retracção, deformação elástica e deformação por fluência) de
cada prisma para as composições com alto, medio e baixo conteúdo em pasta para os carregamentos
efectuados às 24 horas, 3 dias e 7 dias. Visto que para as aplicações correntes a fluência e retracção
podem ser considerados como sendo fenómenos independentes [9] a evolução da deformação no
tempo devido à presença de uma carga constante (deformação por fluência) pode ser avaliada pela
subtracção da deformação elástica devido à aplicação da carga e da deformação devido à retracção. Na
Fig. 6 apresentam-se as deformações médias apenas devido à deformação por fluência e ainda as
curvas sugeridas pelo Eurocódigo 2 para a composição com conteúdo em pasta médio. A deformação
elástica (subraída à deformação total para a contrução da Fig. 6) foi estimada através da tensão
aplicada e o módulo de elasticidade apresentado na Fig. 2.
7
Influência do conteúdo em pasta nas propriedades de betões autocompactáveis
Figura 5. Deformação total de cada prisma devido à retracção, à deformação elástisca e à fluência
Figura 6. Deformação média devida à fluência
Visualizando as Figs. 5 - 6 verifica-se que a deformação é superior para composições com menor
conteúdo em pasta. Este efeito observa-se especialmente para a aplicação da carga às 24 horas. Pode
ainda ser observado que todas as composições apresentaram maior diferença entre a fluência às 24
horas e aos três dias do que entre os três dias e os 7 dias.
Os resultados apresentados no ensaio de fluência não estão de acordo com os resultados de vários
autores que realizaram estudos em betão convencional. Tal como para a retracção, a explicação para
este facto pode estar relacionada com a variação do conteúdo em pasta essencialmente pela variação da
dosagem de fíler (que acelera as reacções de hidratação do cimento), e também talvez devido a uma
possível maior compacidade conduzindo a composições com menor permeabilidade. Verifica-se ainda
que todas as composições apresentaram até aos 28 dias deformações superiores às curvas de referência
sugeridas pelo Eurocódigo 2.
No Quadro 7 apresenta-se a relação entre a tensão aplicada (sempre de 25 MPa) e a resistência à
compressão no momento de aplicação da carga. Adicionalmente, apresenta-se a correspondente razão
caso a carga tivesse sido aplicada aos 28 dias.
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Encontro Nacional Betão Estrutural 2008
L. Maia, S. Nunes, J. Figueiras
Quadro 7. Rácio entre tensão aplicada e resistência à compressão
Idade do carregamento
Alto
[%]
24 horas
3 dias
7 dias
28 dias
59
49
42
37
Médio
[%]
57
45
39
36
Baixo
[%]
63
47
42
37
Analisando o Quadro 7 e as Figs. 5-6, observa-se que a fluência é maior para maiores razões tensão /
resistência à compressão. De referir apenas uma excepção que se verifica para a composição com alto
conteúdo em pasta com o carregamento às 24 horas. Observa-se ainda que nas composições estudadas
ao fim de três dias a resistência à compressão já era pelo menos o dobro da tensão aplicada para a
fluência.
De acordo com Nevile [10], quando a razão entre a tensão aplicada e a resistência à compressão é
inferior a 0.60 então a relação entre tensão e a deformação por fluência é próxima de linear. Contudo,
para razões próximas de 0.60 a deformação por fluência aumenta muito mais do que a tensão aplicada.
Este facto pode provavelmente explicar a elevada fluência observada para a composição BAC com
menor conteúdo em pasta.
Finalmente de referir que, relativamente à fluência, quando se pretender aplicar uma carga permanente
às 24 horas, como por exemplo, a aplicação de pré-esforço, com base nestes resultados, a composição
com conteúdo em pasta elevado deve ser a composição escolhida por conduzir a menores
deformações.
5. CONCLUSÕES
Investigou-se a influência do conteúdo em pasta em três composições de BACs distintas realizadas a
partir dos mesmos materiais mas usando diferentes proporções de modo a obter composições com
conteúdos em pasta alto, médio e baixo. Todas as composições apresentaram um comportamento no
estado fresco semelhante.
Relativamente à retracção e à fluência, foram obtidos resultados substancialmente diferentes dos
encontrados na bibliografia, para o betão convencional. Aparentemente, a dosagem de fíler tem uma
influência importante no que diz respeito às deformações de fluência e retracção.
As composições com maior conteúdo em pasta apresentaram propriedades mecânicas melhoradas
relativamente às composições com menor conteúdo em pasta:
9 As composições com maior conteúdo em pasta apresentaram menor retracção do que as
composições com menor conteúdo em pasta;
9 A fluência para carregamentos efectuados às 24 horas foi menor para composições com maior
conteúdo em pasta. Contudo, para carregamentos aos 3 e 7 dias, a fluência foi semelhante para
as três composições. Provavelmente este facto ficou a dever-se a uma maior diferença entre
razões tensão / resistência à compressão às 24 horas do que nas outras idades;
As composições de BAC devem ser dimensionadas não apenas para garantir a autocompactabilidade e
a resistência pretendida mas também atendendo aos fenómenos de retracção e de fluência. Este
procedimento é principalmente recomendado para elementos muito susceptíveis à retracção e para
carregamentos a idades jovens, respectivamente.
9
Influência do conteúdo em pasta nas propriedades de betões autocompactáveis
AGRADECIMENTOS
Especial agradecimento à Fundação Para A Ciência E A Tecnologia (FCT) pelo financiamento através
da bolsa de doutoramento SFRH/BD/24427/2005 do primeiro autor e pelo financiamento do projecto
PTDC/ECM/70693/2006 no qual se insere este trabalho.
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Publishing.
10
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